海南岛天然林生态系统不同人类胁迫图论分析

1、第24卷第1期自然资源学报Vol124No112009年1月JOURNAL OF NAT URAL RES OURCES Jan.,2009海南岛天然林生态系统不同人类胁迫图论分析黄宝荣1,欧阳志云2,张慧智3,郑华2(1.中国科学院科技政策与管理科学研究所社会与可持续发展研究室,北京100080; 2.中国科学院生态环境研究中心区域与城市生态国家重点实验室,北京100085; 3.中国科学院南京土壤研究所,南京210008摘要:不同人类活动方式所造成胁迫因素通过错综复杂的交互作用共同影响着海南岛天然林生态系统健康。论文通过图论分析法将各种胁迫间交互作用关系矩阵化,然后通过矩阵计算分析它们间的

2、内在联系,有助于把不同胁迫间错综复杂的交互作用关系简明化。图论分析结果表明旅游娱乐业、森林火灾、经济林种植、热带农业、木材砍伐等不仅影响力大,而且敏感性高,应该作为不同胁迫因素间交互作用分析中重点关注的胁迫因素;胁迫因素集合中存在强连通性子集,对子集中任何一种胁迫因素所造成的风险评价都需要考虑其对或受到集合中其它胁迫因素的影响。不同胁迫相互作用关系中,协同增大效应占主导地位,可能通过协同效应加大对天然林生态系统的不利影响。关键词:生态学;交互作用关系;图论分析;天然林生态系统;人类胁迫中图分类号:Q149文献标识码:A文章编号:1000-3037(200901-0154-08据海南省第三次森林

3、资源清查,海南岛现有原始林2416×104hm2,天然更新林分34108×104hm2,合计58168×104h m2,占全省陆地面积的17105%1,主要分布在乐东、昌江、陵水、琼中等中部山区。海南岛天然林生态系统在涵养水源、固土保肥、气候调节和生物多样性维持等方面拥起着巨大的作用2,3。尽管1994年海南省开始实施天然林保护工程,但是各种人类活动对天然林生态系统的胁迫仍在存在,并带来生态风险。如何评价并降低天然林生态系统所承受的生态风险,是天然林保护工作中要面临的一个问题。但是天然林生态系统所承受的各种人类胁迫的多样性和交互作用增加了生态风险评价的难度,生态风

4、险评价中不仅要考虑单个胁迫而且要考虑多种胁迫交互作用对生态系统的影响2。1研究方法111海南岛天然林生态系统人类胁迫因素辨识海南岛天然林生态系统承受着来自各方面的胁迫,包括自然胁迫和人类胁迫,其中人类胁迫是导致天然林生境退化的关键因素。人类胁迫对天然林生态系统的影响主要表现在以下5个方面:占用天然林用地;造成景观破碎化;导致生境退化;威胁物种生存安全;造成生物多样性减少。从这5个方面出发,结合在海南省中部山区的实地调查,构建海南岛天然林生态系统人类胁迫因素集合S列于表1。其中水利项目、公路建设、采矿、经济林及热带农业种植等直接占用天然林用地,减少天然林面积并造成景观破碎化;其它胁迫因素通过对生

5、境的影响造成天然林生境退化、威胁物种生存并导致生物多样性减少。收稿日期:2007-01-10;修订日期:2008-01-07。基金项目:国家基金委创新群体计划项目(40321101;国家“十五”科技攻关资助项目(2003BA614A-06。第一作者简介:黄宝荣(1977-,男,江西九江人,助理研究员,博士,主要研究方向为可持续发展与生态环境评价。1期黄宝荣等:海南岛天然林生态系统不同人类胁迫图论分析155表1海南岛天然林生态系统人类胁迫因素Table 1Anthr opogenic stress ors for natural forest ecosyste m in Hainan Islan

6、d编号胁迫因素编号胁迫因素1水利项目(W P 8经济林种植(EF 2公路建设(RB 9热带农业(T A 3采矿(M 10畜牧业(SR 4高压电线(HP L 11木材砍伐(TH 5噪音(NP 12采药(HMC 6大气污染(AP 13旅游娱乐(TR 7森林火灾(FF 14外来物种入侵(ES 112图论分析法在生态学中,图论分析法曾被一些生态学家应用于食物网分析、营养流通网络分析和人口环分析等,被认为是一个非常有效的网络分析工具4,5。W enger 等首次将该方法运用于生态系统胁迫相互作用关系的研究6,对促进生态风险评价中交互作用分析方法的发展具有重要意义。图论分析法分析海南岛天然林生态系统人类胁

7、迫交互作用的步骤如下:(1构建海南岛天然林生态系统人类活动胁迫集合S =S 1,S 2,S n 。(2然后根据集合S 中不同人类活动胁迫直接相互作用关系构建胁迫间联结矩阵7A =(a ij ,其中:a ij =1,当S i 对S j 有直接增大效应0,当S i 对S j 没有直接影响-1,当S i 对S j 有直接消减效应(1(3利用联结矩阵A 、单位矩阵I 和布尔矩阵B 计算不同胁迫间的可达性矩阵R ,如式(2所示:R =(r ij =B I +B (A n -1(2可达性矩阵用于判断一个胁迫对另一个胁迫是否存在直接或间接影响。当r ij =1时,S i 对S j 存在影响(不论是直接的还是

8、间接的;当r ij =0,不存在影响。(4判断不同胁迫之间关系的连通性:通过关联矩阵和可达性矩阵判断不同胁迫之间关系的连通性。当R =J 时,为强连通性;当R J,而B R +R =J 时,为单向连通性;当R J,且B R +R J,而B R +R =J,B I +B (A +B (A n -1=J 时,为弱连通性(其中J 为所有元素都为1的矩阵。连通性反映的是人类活动胁迫集合S 中不同胁迫之间相互交互作用关系的强弱。(5通过R R 矩阵判断人类活动胁迫集合S 中具有强连通性的子集K m :K =(k ij =R R (矩阵中对应位置相同的元素相乘,当集合S 中p 个胁迫因素在矩阵R R 中相

9、互对应的所有元素值为1时,那么由这p 个胁迫构成的新集合K m 为S 中的强连通性子集之一。(6通过联结矩阵A 的n 次幂矩阵A n判断不同胁迫间边数为n (间隔n -1个其它胁迫的间接作用关系。A n矩阵中对应的元素值c ij 反映的是从i 胁迫到j 胁迫边长为n 的增大效应路径数同消减效应路径数的差值,当c ij 为正值时,增大效应占主导地位,相反,c ij 为负值时,消减效应占主导地位。156自然资源学报24卷2结果与讨论211不同胁迫之间直接相互作用通过调查分析和主观判断各胁迫之间直接的相互作用关系制定海南岛天然林生态系统各种人类胁迫相互作用关系图(图1,并根据各种胁迫直接相互作用关系

10、构建联结矩阵A (表2。比如天然林区水电项目增加了林区高压电线的数量,具有增大效应,标记为1;木材砍伐对一个区域发展旅游娱乐业有负面影响,具有消减效应,标记为-1。 图1海南岛天然林生态系统各种人类胁迫相互作用关系图Fig 11D igraph of interrelati ons among anthr opogenic stress ors f or natural forest ecosyste m in Hainan Island表2海南岛天然林生态系统不同胁迫之间的联结矩阵Table 2Adjacency matrix a mong different stress ors f or

11、 natural forest ecosyste m in Hainan Island胁迫因素胁迫因素W P RB M HP L NP AP FF EF T A SR TH HMC T R ES P N 水利项目(W P 000100011000115公路建设(RB 000011000000114采矿(M 0001111-1-1-110008高压电线(HP L 000000100000001噪音(NP 000000000000-101大气污染(AP 000000000000-101森林火灾(FF 000001011110-117经济林种植(EF 00000010-1-110-116热带农业(T

12、 A 1000001-10-110016畜牧业(SR 000000100000001木材砍伐(TH 000010100-100-104采药(HMC 000000100000001旅游娱乐(TR 01-11101-1-10-10008外来物种入侵(ES 000000000-100001路径数(Path Numbers 111343855657554统计分析表2发现,由14个胁迫组成的91个胁迫对中,存在单向直接影响路径的胁迫对有32个,存在双向相互直接影响路径的胁迫对有11个,总的直接影响路径数有54条,其中6617%为增大效应路径。如果假定:一个胁迫对其它胁迫的直接影响路径越多,它影响力越大,

13、一个胁迫受到其它胁迫的直接影响路径越多,它的敏感性越高,那么从表2中路径数(P N 可以反映不同胁迫因素的影响力和敏感性的大小。从表2最后一列的P N 可以1期黄宝荣等:海南岛天然林生态系统不同人类胁迫图论分析157看出,不同胁迫对其它胁迫的直接影响力从大到小排序为(采矿、旅游娱乐>森林火灾> (经济林种植、热带农业>水利项目>(公路建设、木材砍伐>(高压电线、噪音、大气污染、畜牧业、采药、外来物种入侵;从表2最后一行可以看出,不同胁迫对其它胁迫因素的直接敏感性由高到低排序为森林火灾>旅游娱乐>畜牧业>(经济林种植、热带农业、木材砍伐、外来物种入

14、侵>噪音>(高压电线、大气污染>(水利项目、公路建设、采矿>采药。另外可以通过同其它胁迫相互影响路径总数判断一个胁迫的交互作用强弱,由强到弱排序为(森林火灾、旅游娱乐>(经济林种植、热带农业>(采矿、木材砍伐>畜牧业> (水利项目、外来物种入侵>(公路建设、噪音>(大气污染、高压电线>采药。排序有助于确定交互作用分析中应该关注的重点胁迫因素,如旅游娱乐业、森林火灾、经济林种植、热带农业、木材砍伐5个胁迫因素在3组排序中都处于前8位,证明它们不仅影响力大,而且敏感性高,交互作用强,应该作为交互作用分析中重点关注的胁迫因素。联结矩阵

15、使得图1所表达不同胁迫间错综复杂的相互作用关系简洁明了化,并且有利于借助矩阵计算来进一步分析其间隐含的内在联系。212不同胁迫之间间接相互作用关系21211可达性分析通过式和表2的联结矩阵得到天然林生态系统不同胁迫之间的可达性矩阵R如表3所示。表3表明,除了采药外,其它胁迫因素相互之间的影响都是可达的,证明胁迫集合中不同胁迫间的相互作用关系强烈,大部分胁迫因素都通过直接或间接的作用对其它胁迫因素产生影响,或者受到其它胁迫因素的影响。比如旅游娱乐虽然没有对大气污染造成直接的影响,但是通过增加公路网的建设,增加汽车尾气排放量,从而提高大气污染发生的风险,形成间接影响。尽管水利项目、公路建设、采矿等

16、受到的直接的影响路径都只有1条,但是其它的胁迫因素都可以通过间接的作用对它们产生影响,如水利项目可能会带动旅游娱乐业的发展,而旅游娱乐业的发展则有可能增加公路建设,这样水利项目建设有可能间接地增加当地的公路建设,从而对天然林生态系统造成影响。有时单个胁迫因素的间接影响相当小,但是多种胁迫因素的间接影响的共同作用有可能把间接增大效应或消减效应放大到表3天然林生态系统不同胁迫间的可达性矩阵Table3Reachability matrix a mong different stress ors for natural f orest ecosyste m胁迫因素胁迫因素W P RB M HP L

17、NP AP FF EF T A SR TH HMC TR ES水利项目(W P11111111111011公路建设(RB11111111111011采矿(M11111111111011高压电线(HP L11111111111011噪音(NP11111111111011大气污染(AP11111111111011森林火灾(FF11111111111011经济林种植(EF11111111111011热带农业(T A11111111111011畜牧业(SR11111111111011木材砍伐(TH11111111111111采药(HMC11111111111011旅游娱乐(TR111111111110

18、11外来物种入侵(ES11111111111011158自然资源学报24卷比较高的水平,从而增大或减小天然林所承受的生态风险。21212连通性分析通过对联结矩阵和可达性矩阵的相关计算,发现RJ,B(R+R=J,表明表1所列出不同的胁迫之间具有单向连通性。表4列出的为强连通性判断矩阵RR,分析其中各元素所对应的值,可以得出不同胁迫之间具有强连通性的子集为K1=水利项目,公路建设,采矿,高压电线,噪音,大气污染,森林火灾,经济林种植,热带农业,畜牧业,木材砍伐,旅游娱乐,外来物种入侵,强连通性子集中每个胁迫间都具有相互可达性。人类活动对强连通性子集中任何一胁迫产生影响,都会对其它胁迫产生直接或间接

19、的增大或者消减影响,有时这种影响十分显著。例如,目前海南岛非法开垦和砍伐天然林现象依然存在,通过连通性矩阵分析发现它们的影响是多方面的,如诱发森林火灾、导致外来物种入侵和生物多样性降低等8,必须引起重视。在天然林保护实践中,把强连通性子集作为一个整体管理单元来进行管理,考虑其中不同胁迫因素间的相互影响和带动效应,有益于减少各种胁迫间的协同增大效应给天然林生态系统带来的风险。采药仅仅同木材砍伐相互之间是可达的,同其它胁迫因素连通性弱,如果它本身对天然林所造成的胁迫作用小,那么在天然林生态风险评价中可以忽略不计。表4强连通性子集判断矩阵Table4I dentificati on matrix o

20、f str ong components胁迫因素胁迫因素W P RB M HP L NP AP FF EF T A SR TH HMC TR ES水利项目(W P11111111111011公路建设(RB11111111111011采矿(M11111111111011高压电线(HP L11111111111011噪音(NP11111111111011大气污染(AP11111111111011森林火灾(FF11111111111011经济林种植(EF11111111111011热带农业(T A11111111111011畜牧业(SR11111111111011木材砍伐(TH11111111111

21、111采药(HMC00000000001000旅游娱乐(TR11111111111011外来物种入侵(ES1111111111101121213间接增大和消减效应分析联结矩阵的平方矩阵中的元素值表明的是边长为2的增大效应路径数同消减效应路径数之间的差值。如水利项目对经济林种植的边长为2的间接作用中,消减效应路径为水利项目-旅游娱乐-经济林种植和水利项目-热带农业-经济林种植2条,而不存在增大效应路径(如图1所示,边长为2的消减效应路径比增大效应路径多2条。从表5看出,边长为2的间接作用中,总增大效应路径比总消减效应路径多32条,表明了不同胁迫之间间接的增大效应关系占主导地位;其中经济林种植和热

22、带农业所受到的边长为2的间接增大效应路径数比消减效应路径数分别多14条,表明海南岛不断扩大的经济林种植和热带农业受到许多间接因素的驱动,从而加大对天然林用地的侵占;而旅游娱乐所受到的间接增大效应比消减效应路径数少15条,表明旅游娱乐业的发展受到许多间接因素的限制,在一定程度1期 黄宝荣等 : 海南岛天然林生态系统不同人类胁迫图论分析 159 上会减轻其对天然林的胁迫作用 ; 表 5 中行和列相同的同一胁迫因素所对应的元素值反映 的是该胁迫因素正反馈环数同负反馈环数之间的差值 ,如森林火灾 , 经济林种植和热带农业 的边长为 2 的正反馈环比负反馈环分别多 3 条 ,木材砍伐的边长为 2 的正反

23、馈环比负反馈 环多 2 条 ,表明它们有可能通过自反馈作用加大对天然林的不利影响 ; 这些都表明边长为 2 间接影响所造成的增大或消减效应是不同胁迫交互作用关系的重要组成部分 . 表 5 海南岛天然林生态系统胁迫联结矩阵平方值 Table 5 The square of the adjacency matrix for natural forest ecosystem stressors in Hainan Island 胁迫因素 水利项目 (W P 公路建设 ( RB 采矿 (M 高压电线 ( HPL 噪音 (NP 大气污染 (AP 森林火灾 ( FF 经济林种植 ( EF 热带农业 ( T

24、A 畜牧业 ( SR 木材砍伐 ( TH 采药 ( HMC 旅游娱乐 ( TR 外来物种入侵 ( ES 总和 ( Sum 胁迫因素 WP 1 0 -1 0 0 0 1 -1 0 0 0 0 -1 0 -1 RB 1 1 0 0 - 1 - 1 - 1 - 1 0 0 - 1 0 0 0 - 3 M -1 -1 0 0 HPL 1 1 0 0 NP 1 1 1 0 - 1 - 1 0 0 1 0 - 1 0 - 1 0 0 AP 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 8 FF 4 1 -1 0 -1 -1 3 -2 -1 0 -2 0 -3 -1 -4 EF -2 -1 2 1

25、 1 1 0 3 2 1 2 1 3 0 14 TA -2 -1 2 1 1 1 0 2 3 1 2 1 3 0 14 SR -3 TH HMC TR 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - 1 - 2 - 1 0 0 - 3 - 2 0 - 1 - 2 - 1 1 0 - 15 ES 2 0 1 0 0 2 0 1 1 1 1 0 0 9 Sum 2 - 3 1 5 0 0 1 1 8 5 3 5 5 - 1 32 -1 -1 2 -1 1 0 0 -4 0 0 1 1 1 0 3 1 1 1 3 1 0 1 2 1 0 7 - 3 -1 1 - 1 1 - 1

26、1 - 1 1 - 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 - 1 0 - 1 3 - 3 5 -2 3 结论 ( 1 在对海南岛天然林生态系统产生胁迫的各种因素中 , 旅游娱乐业 , 森林火灾 , 经济 林种植 , 热带农业 , 木材砍伐等对不仅其它胁迫因素影响力大 ,而且敏感性高 ,交互作用强 , 应该作为海南岛天然林生态风险评价交互作用分析中重点关注的胁迫因素 . ( 2 在胁迫集合中 ,具有强连通性子集合 水利项目 ,公路建设 ,采矿 , 高压电线 , 噪音 , 大气污染 ,森林火灾 ,经济林种植 ,热带农业 ,畜牧业 ,木材砍伐 ,旅游娱乐 ,外来物种入侵 , 对其中任何一种胁迫所造

27、成的风险评价都需要考虑其施加于或受到子集中其它胁迫的影 响 .把强连通性子集作为一个管理单元来进行管理 ,有益于防止各种胁迫的协同增大效应 给天然林生态系统带来的风险 . ( 3 通过图论分析可以剔除同其它胁迫因素交互作用弱的胁迫因素 ,如采药同其它类型 胁迫的交互作用弱 ,如果它们本身的胁迫值小 ,那么在天然林生态风险评价中可以忽略不计. ( 4 不同胁迫相互作用关系中 ,直接作用和边长为 2 的间接作用中增大效应或正反馈 环所占比例高明显高于消减效应或负反馈环 ,协同增大效应强 ,不同胁迫之间可能产生共振 效应而加剧对天然林生态系统的不利影响 . ( 5 由于图论分析法不能定量地分析一种胁

28、迫因素对另一种胁迫因素的增大或者消减 效应的大小 ,不能确定最强的胁迫因子和累积胁迫效应 ; 同时联结矩阵的构建过程中采用的 实地调查和主观判断相结合的方法 ,使分析结果具有一定的不确定性 ,这些都成为图论分析 法能够被广泛运用于生态风险评价中的限制因素 ; 但是生态风险评价者可以把它当成一个 160 自 然 资 源 学 报 24 卷 有效的风险因素交互作用分析辅助工具 ,有助于把各种胁迫源错综复杂的交互作用关系简 洁明了化 . 参考文献 ( References : 1 张裕山 ,陈修仁 . 海南森林资源现状及林业发展的思路 J . 热带林业 , 2007, 35 ( 1 : 4 6. ZH

29、ANG Yu 2shan, CHEN 3 王伯荪 ,张炜银 ,张军丽 . 海南岛热带山地雨林种类组成的局域分布与垂直分布 J . 应用生态学报 , 2001, 12 ( 5 : speciesin trop ical montane rain forests, Hainan Island. Ch inese Jou rnal of A pplied Ecology , 2001, 12 ( 5 : 641 - 647. 5 W ardle G M. A graph theory app roach to demographic loop analysis J . Ecolog ica l So

30、ciety of Am erica , 1998, 79 ( 7 : 2539 - 2549. 6 W enger R B , Harris H J, Sivanp illai R, et a l A graph 2theoretic analysis of relationship s among ecosystem stressors J . . Journal of Environm ental M anagem en t, 1999, 57 ( 2 : 109 - 122. 2 欧阳志云 ,赵同谦 ,赵景柱 . 海南岛生态系统生态调节功能及其生态经济价值研究 J . 应用生态学报 ,

31、2004, 15 ecosystem and their valuation. Ch inese Journal of A pplied Ecology , 2004, 15 ( 8 : 1395 - 1402. ( 8 : 1395 1402. OUYANG Zhi2yun, ZHAO Tong2qian, ZHAO J ing2zhu. Ecological regulation services of Hainan Island 4 Bodini A , Giavelli G, Rossi O. The qualitative analysis of community food web

32、s: I p lications for wildlife management and m conservation J . Jou rna l of Environm en ta l M anagem ent, 1994, 41 ( 1 : 49 - 65. method of graph 2theoretic analysis can transform the interactions that occur w ithin the suite of stressors to matrix and analyse their internal relationship s by m at

33、rix calculating These efforts can . help to simp lify the reticula interactions w ithin the various stressors The results of graph 2theoretic . analysis show that there exist quite a number of interactive linkages among different anthropogenic stressors for NF in Hainan Island, som e stressors such

34、as tourist/ recreation, forest fire, econom ic tions betw een different stressors In the stressors set, there are strong components (water p roject, . Abstract: The natural forest (NF in Hainan Island is menaced by various anthropogenic stres2 sors These stressors interactively and combinedly threat

35、en the viability and integrity of NF. The . nom ic forest, trop ical agriculture, stock raising, tim ber harvest, tourist/ recreation, exotic spe2 forest, trop ical agriculture and tim ber harvest should be taken as key factors in analysing interac2 road building, m ining, high 2tension power line,

36、noise pollution, air pollution, forest fire, eco 2 7 张淑芬 . 海南生态立省背景下的林业可持续发展 J . 热带林业 , 2006, 34 ( 1 : 17 20. ZHANG Shu2fen. Hainan China. T rop Forest, 2006, 34 ( 1 : 8 - 11. ( 11 Institute of Policy Management, CAS, Beijing 100080, China; 21 Research Center for Eco 2environmental Sciences, CAS, Be

37、ijing 100085, China; 31 Institute of Soil Science, CAS, Nanjing 210008, China eco 2 rovince app roach and forestry sustainable development Trop. Forest, 2006, 34 ( 1 : 17 - 20. p . 1 2 3 8 陈磊夫 ,余雪标 ,黄金城 ,等 . 海南岛热带森林生物多样性研究进展 J . 热带林业 , 2006, 34 ( 1 : 8 11. CHEN Lei2 fu, YU Xue2biao, HUANG J in 2chen

38、g, et al Review of researches in biodiversity of trop ical forest in Hainan Island, . Xiu2ren. Status of forest resource in Hainan Island and its develop ing strategies T rop Forest, 2007, 35 ( 1 : 4 - 6. . 641 647. WANG Bo2sun, ZHANG W ei2yin, ZHANG Jun 2li Local and vertical distribution of floris

39、tic composition . A Graph 2theoretic Ana lysis of Rela tion sh ips am ong An thropogen ic Stressors on Na tura l Forest in Ha inan Island HUANG B ao 2rong , OUYANG Zhi2yun , ZHANG Hui2zhi , ZHENG Hua 2 1期 黄宝荣等 : 海南岛天然林生态系统不同人类胁迫图论分析 161 cies , and ecological risk assess ent on any stressors in the s

40、trong components should consider m their influences on or by other stressors The p redom inant effect of interactive relationship sw ithin . different stressors is a reinforcing one, so there maybe exist resonance effects among different would help valuators to understand the manners of interactions among different stressors more clea